齐齐哈尔大学综合实践.doc

综 合 实 践 聚乙烯醇微球载体的研究进展学 院： 材料科学与工程学院 班 级： 高 分 子 学 号： 姓 名： 指导教师： 起止日期： 2012.4.20-2012.5.20 聚乙烯醇微球载体的研究进展摘要：聚乙烯醇（PVA）微球载体具有优良的生物相容性、亲水性及大量可以用于修饰的羟基等一系列优异特性，使其具有广泛的应用。本文综述了各类PVA 微球载体的制备方法及其在高分子螯合剂、接枝共聚物、膜的改性、固定化酶、药物载体和环境保护等方面应用的研究进展。关键词：聚乙烯醇微球载体 1.1 前言聚乙烯醇(PVA)是分子主链含-CH2-CH(OH)-基团的高聚物由聚醋酸乙烯酯醇解而制得。PVA 载体用于一些生物活性物质的固定化过程时, 聚乙烯醇分子链上的侧羟基又会相互间形成氢键, 再加上线形结构的规整性, 使其在保持良好亲水性的同时又显示较好的化学稳定性, 提高了PVA 载体材料的机械性能。聚乙烯醇具有优异的亲水性以及良好的反应性, 经过化学交联或硬化改性处理, 它的机械强度及化学稳定性会显著提高又因为PVA 材料对生物活性物质无毒, 价廉易得等一系列优点, 是一种可应用于发酵工业、医药工业、食品工业、化学工业、环境保护等众多领域且具有发展潜力的生物载体材料人们对亲水性及反应性良好的PVA 载体寄予厚望, 其设计、制备与应用研究得到了广泛的关注。1.2 聚乙烯醇微球研究的发展史以聚乙烯醇载体为基本原料的免疫吸附剂的研究始于20世纪50年代,当时主要用于分离和纯化抗原(或抗体)，用于治疗一些传统方法难以奏效,的疾病。它利用抗原- 抗体发生的免疫反应使配基与载体结合, 从而具有特异的吸附性能。目前免疫吸附疗法在世界各地得到越来越广泛的应用,因此免疫吸附材料的研究也日益受到重视。1.2.1国外发展情况在国外对聚乙烯醇微球载体的制备及其在免疫吸附方面的应用研究，已有很长的历史。1982年Yamazaki研制成功聚乙烯醇凝胶- 色氨酸免疫吸附剂和聚乙烯醇凝胶- 苯丙氨酸免疫吸附剂Toshihiro等人将PVA与微生物细胞混合后滴入0.15 m g的K 2SO 4 溶液中,然后在低于- 5条件下冷却, 室温下解冻, 这样制得的固定化颗粒强度好、活性高, 并解决了成球困难的问题Kyoyuki 等人将PVA溶解后再加入海藻酸钠, 溶解冷却后与微生物混合, 然后滴入到含60% (N H 4 ) 2SO 4 与1% CaCl2的混合溶液中形成球形载体用以固定细胞, 不仅解决了成球难问题, 而且制备过程中微生物活性损失很小。M asak i O kazak i 等人将PVA 溶液与微生物混合在一起, 运用冷冻解冻法将微生物包埋其中制成微生物固定化网状载体，由于载体存在网状结构, 可以组建成许多小空间, 供固定在其中的微生物生殖代谢, 同时网状结构有利于传质作用, 充分发挥微生物的活性, 因其前述特性所致, PVA 网状载体固定生物活性物质是行之有效的5。Yamazaki Z 等将苯丙氨酸和色氨酸固定于聚乙烯醇微球上制备吸附剂用于系统性红斑狼疮的治疗, 临床效果显著。M asak i O kazak i 等人配置4% 的PVA 与1%的海藻酸钠以及1% 的微生物的混合溶液, 用注射器将混合液滴入2% 的CaCl2 溶液中成小球, 然后将小球在- 20下循环冷冻3 次, 制备成包埋微生物的球状PV A 载体, 并用此载体固定化降解DM F(N , N 2二甲基甲酰胺) 的专用微生物处理含有大量DM F 的工业废水。M irosaw a SzczsnaA ntczak 等人用PV A载体固定酶用以催化水解反应与合成反应, 例如在酪蛋白水解反应中利用PVA 载体固定细菌作催化剂制备生物催化剂, 最终生物催化剂的产率可达12mgL- 1h- 1以上, 而且在反复的使用中载体显示出良好的机械稳定性与热稳定性。1.2.2国内研究进展近年来随着免疫吸附疗法的兴起，免疫吸附载体的制备也成为学者们研究的热点，主要集中在微球载体的制备针对这点国内学者对免疫吸附载体材料也进行了相当多的研究。俞耀庭等研制的类风湿关节炎免疫吸附剂5 在临床上有显著的疗效。陈婕等人采用氧化沉淀法制备强磁响应性纳米级磁流体, 并通过聚乙烯醇包埋, 获得磁性PVA 载体, 并经过NaBH 4 还原和活性色素辛巴蓝修饰, 使载体具有特异性亲和吸附能力。 吴颉等人在n (FeSO4 ) n Fe2(SO 4)3 = 21 的100 mL 水溶液中加入0. 5 g 十二烷基苯磺酸钠, 在搅拌下滴加50 mL 聚乙烯醇缩丁醛的正丁醇溶液(质量浓度为16 m g/mL ) , 60下反应1 h, 抽滤及真空干燥后即得球状磁性聚乙烯醇缩丁醛载体。张克胜等人以戊二醛为交联剂, 用反相聚合的方法制备了珠状交联聚乙烯醇载体, 并研究了它对胆红素的吸附性能, 结果表明载体对胆红素具有较好的吸附动力学性能,这是由于所制备的载体在水中有良好的溶胀性能,与胆红素产生强烈的氢键作用可使胆红素很好的与之接触, 在载体内外有胆红素浓度差的情况下, 使胆红素很快的扩散到载体内部, 实现对胆红素吸附在此基础上, 张克胜等人又通过将胍基固载到交联聚乙烯醇水凝胶上制备了新型亲水性胆红素载体, 该类载体对胆红素具有良好的吸附性能和较高的吸附效率, 胆红素的吸附率随着载体的交联度、离子浓度以及白蛋白与胆红素质量比的增加而降低;胍基含量的提高可以增加吸附剂对胆红素的吸附性能, 当以牛磺酸修饰交联聚乙烯醇凝胶合成了吸附性载体, 实验结果表明该类吸附剂对血清中甘油三脂具有良好的吸附效果。贾永会等以聚乙烯醇为载体材料, 并固定化血红蛋白来制备氧载体, 研究了固定化血红蛋白作为氧载体从海水中提取氧气的性能, 以期为人类在水下活动提供氧气源。通过研究所的氧载体的氧解离性能以及戊二醛和六磷酸肌醇对氧载体氧解离性能的影响, 得到血红蛋白固定量达0.16 g/ml时, 氧化法测得其氧载体的氧解离率为53. 3% , 而用戊二醛的后交联则提高了聚乙烯醇固定化血红蛋白氧载体的稳定性。康莹在加入少量藻酸钙盐的条件下, 用硼酸交联聚乙烯醇, 活性污泥培养物渗于其内, 将其涂于载体上被固定成膜, 制成膜状固定化细胞载体, 实验结果表明细胞经固定后仍保持活力。刘健平等人从酱醪中分离出嗜盐片球菌、鲁氏接合酵母、多艺球拟酵母和埃切球拟酵母采用PVA 载体固定化方法将它们分别进行包埋、增殖,再依次去发酵酱醪水解液, 仅需10 天生产出的酱油与商品酱油相当, 这比传统酿造法大大缩减了时间。高放等人以磷酸化的PVA - 海藻酸钙为载体包埋黑曲霉细胞, 与固定化的葡萄糖异构酶协同反应, 以蔗糖为原料转化生产低聚果糖实验结果表明：用优化条件制得的固定化细胞与葡萄糖异构酶协同转化生产低聚果糖, 重复利用性好, 且转化率在57% 以上, 明显高于单独使用黑曲霉的转化率。2聚乙烯醇微球的制备方法高分子微球是指通过某种聚合方法或将现有的聚合物经过物理或化学方法改性而得到的球形高分子材料或高分子复合材料。根据PVA微球载体组分的不同，我们将其分为单分散性PVA微球载体、磁性PVA微球载体、三元复合PVA微球载体等等。2.1单分散PVA微球载体制备根据交联方式的不同，单分散PVA微球载体的制备方法可分为(1)原位交联聚合法，(2)聚合物交联法。2.1.1原位交联聚合法 以醋酸乙烯酯为聚合单体，在交联剂及其他助剂的作用下，借助悬浮聚合法原位聚合聚醋酸乙烯酯球状聚合物，经碱性醇解可制得单分散型PVA高分子微球。Dimonie等以醋酸乙烯酯为聚合单体，环氧氯丙烷为交联剂，通过悬浮聚合得交联聚醋酸乙烯酯球，再经醇解获得了不同醇解度的具有渗透性且不溶于水的无孔聚乙烯醇凝胶球。吴向东等用醋酸乙烯酯为单体，二乙烯苯为交联剂，在混合致孔剂存在下聚合，得珠状聚合物，然后经皂化反应得有孔PVA微球，微球的平均孔径随交联度的增大而逐渐减小。Gao Baojiao等也以醋酸乙烯酯为单体，二乙烯苯为交联剂，用悬浮聚合-醇解法制得了球形度良好、粒径可控且分布比较均匀的聚乙烯醇交联微球。2.1.2聚合物交联法原位交联聚合法虽然具有方法简便，原料易得等优点，但存在交联反应时间过长且微球形状、大小难于控制等缺陷，不能满足应用的要求。李福绵等采用油包水的悬浮体系，用对苯二甲醛作交联剂与聚乙烯醇反应，成功地制备了机械强度较高的聚乙烯醇球状载体，并用作对-硫酸醋乙砜基苯胺的反应性载体，表现出良好的反应活性。在此基础上，李福绵又以乙二醇，三缩乙二醇为致孔剂，制备了具有一定比表面，孔径和孔容的大孔水不溶性聚乙烯醇球状载体，并将微球分别与对N,N-二甲氨基苯甲醛、乙醛酸和丁二酸酐反应制得了多羟基的亲水性弱碱型交换树脂和弱酸型交换树脂。戊二醛是制备PVA微球的另一种常见交联剂。张克胜等以戊二醛为交联剂，采用反相聚合的方法合成了聚乙烯醇珠状交联微球，微球表现出对胆红素良好的吸附性能。徐建宽等34用相同方法制备的交联聚乙烯醇微球与环氧氯丙烷反应以固载环氧基团，得到一种可用于进一步修饰的载体。苗延奎等利用聚乙烯醇自身所具有的双亲性特征，在不引入悬浮分散剂的条件下，通过无皂反相悬浮法制备出分散性、几何形态均良好的交联PVA球珠。金漫彤等36采用悬浮聚合法合成了球状PVA颗粒，并利用活化接枝法在球体表面引入氨基酸官能团成功制备了一种球形高分子螯合剂。其它常用的交联剂还有硼酸、硼砂等。在聚乙烯醇水溶液中加入硼酸或硼砂，则因化学反应发生凝胶化。由于PVA与硼砂反应形成的凝胶强度较低，且不易成形，因此主要用硼酸做交联剂，在交联过程中加入少量的海藻酸钠可以很好的解决PVA颗粒的附聚问题。王磊等人将PVA、硝化污泥、海藻酸钠混合均匀后搓成条状，浸入含2% CaCl2的中性硼酸溶液中，经固化后制成颗粒状PVA载体。邵兵等以PVA为壁材，用饱和硼砂溶液作为交联剂，通过乳状液化学交联法制备了PVA空心微球。PVA微球也可通过微乳液聚合制备。如W.S. Wan Ngah等41将壳聚糖溶于5%醋酸溶液中，并与PVA溶液混合，用微乳法制备了壳聚糖PVA凝胶微球1。2.2磁性PVA微球载体的制备由于PVA原料廉价，易得，亲水性好，容易在无机磁性粒子上附着，且PVA微球表面有许多羟基，易功能化等等，关于磁性PVA微球的制备已有很多文献报道。磁性PVA微球载体制备方法主要有单体共聚法和包埋法。2.2.1单体共聚法单体聚合法是指在活性单体、磁性微粒以及引发剂、稳定剂等共存的条件下，引发聚合反应而形成核-壳式磁性高分子微球的方法。Zheng Guo等用磁流体作为磁核，将醋酸乙烯酯和二乙烯苯进行共聚，醇解得到了顺磁性的PVA磁性微球，并将微球用作固定脂肪酶的载体，表现出较高的固载率。余煜玺等在油酸包覆的Fe3O4磁流体存在条件下，以醋酸乙烯酯为聚合单体，二乙烯苯为交联剂，过氧化苯甲酰为引发剂，聚乙烯醇为稳定剂，制备了粒径在数微米之间的磁性聚醋酸乙烯酯微球，醇解得磁性PVA微球，微球的比饱和磁化强度为15.0 emu/g，具有超顺磁性。2.2.2包埋法包埋法是将磁性颗粒分散于高分子溶液中，通过雾化、絮凝、沉积、蒸发等手段，使高分子包裹在磁性颗粒周围，并利用交联剂对高分子进行交联，形成磁核型高分子微球。XueB和Tong XD等将磁流体分散于聚乙烯醇溶液中，以戊二醛为交联剂，制得了PVA磁性微球载体，并将其用于酵母乙醇脱氢酶的分离，获得了较为满意的分离结果。Sinan Akgol等用戊二醛作交联剂，1,1-羰基二咪唑作羰基化试剂活化聚乙烯醇的羟基，制备出PVA磁性微球，并通过氨基以共价键形式将蔗糖酶固定在磁性微球上，固定化酶表现出较好的活性。钱斯日古楞等将Fe3O4磁流体，PVA加入到分散介质中，再加入戊二醛、浓盐酸和海藻酸钠，得到磁性聚乙烯醇微球，并以此为载体，采用戊二醛交联法固定化-淀粉酶，研究了磁性固定化酶的理化性质，结果显示固定化-淀粉酶活性保持率是最初活性的98.3%。2.2.3三元复合PVA微球载体的制备目前，关于三元复合PVA微球载体的制备文献报道的很少。赵玉强等49采用物理共混法，制备了聚乙烯醇/海藻酸钠/明胶(PVA/SA/GT)的三元复合凝胶微球，用于盐酸四环素的包载和药物的释放研究，结果表明微球的释药性能和降解性能都比较理想。黄琼瑜等由壳聚糖(CS)、聚乙烯醇(PVA)和三聚磷酸钠(TPP)经悬浮交联制备了壳聚糖/聚乙烯醇/三聚磷酸钠(CS/PVA/TPP)三元复合微球，CS/PVA/TPP复合微球具有溶胀-收缩可逆性，是一种pH/离子敏感型凝胶微球可以为药物缓释系统提供实验和理论依据。近年来，对球状PVA载体制备的研究虽然比较多，但以上列举的方法为最主要的方法。3.实验部分3.1 PVA溶液配制将一定量PVA溶解于30mL去离子水中。由于该牌号PVA醇解度、聚合度均偏低，在水中溶解很快，所以在溶解操作时，加料水温应在常温下边搅拌边缓慢加料，切不可一次加料太多，防止成沱状。加料后，搅拌巧min左右后再缓缓升温。在70一80下，约30min完全溶解。3.2 PVA微球的制备在室温下向烧杯中加人30mL正庚烷、1g司盘80，搅拌使之全部溶解。电磁搅拌下加入4mLPVA溶液，乳化数分钟，再换用高速乳化机乳化3min，再换用低速电磁搅拌，并向乳液中加入溶有戊二醛的乙醚及数滴浓盐酸，乳液迅速发生交联，乳液由白色变成黄色，在室温下持续搅拌Zh。交联后离心分离，并用异丙醇及乙醚清洗数次，除去残留的正庚烷及戊二醛，干燥即得分散良好的微球。为了获得最佳工艺条件，本实验观察了不同的PVA浓度、不同的搅拌速度，并对各因素对微球粒径和外形的影响进行了考察。4.结果与讨论1PVA浓度的影响实验中选定PVA浓度分别为2.5%，5.0%，7.5%，10.0%，20.0%，搅拌速度为14000rmin-1，其他条件固定不变，结果如表1。 扫描电镜观察，微球成球性良好，表面光滑，无豁连，具有良好的分散性和单分散性。随着PVA浓度增大，其豁度增大，微球粒度增大;PVA浓度越高，微球粒径均方差越大，微球单分散性变差。浓度为5%时，制备的微球平均粒径在1.9拌m，无超过3拼m的微球，在粒径上完全满足静脉注射的要求4。2搅拌速度的影响固定PVA浓度为5.0%，分别设定搅拌速度为2000，6000，10000，14000和22O00rmin-1，其他参数不变，结果见表2。可见随着搅拌速度的增大，微球粒径减小，尺寸分布更加集中。当搅拌速度转速提高到14000rmin-1时，微球平均粒径为1.9m，无3m以上的微球，且分布也比较均匀;搅拌速度再提高，微球平均粒径变化不大，均匀性略有提高。3相体积分数的影响选择PVA浓度为5.0%，转速为14000rmin-1，改变油水相比例，考察相体积分数对微球的影响。分别向30mL正庚烷中加人4，8，16mL的5.0%PVA溶液，其他工艺参数不变，乳化聚合制得微球。随着水相体积的增大，微球粒径约有增大，但影响不大。当油水比例为30/16时，微球有豁连现象，这是由交联不足引起的，因为PVA溶液加人量增大，需加入的交联剂戊二醛和催化剂盐酸的量也增大，而本实验中为了单因素考察分散相的影响，加人的戊二醛及催化剂的量都相同。由此可见，本法制备PVA微球，可选择较大的油水比例范围。按照乳化理论，相体积分数在40%60%之间较适宜，低于20%高于74%均不稳定。但由于该乳化方法产生的乳滴粒径很小，大大降低了乳滴间的平均自由程，且在交联固化过程中同时低速搅拌，防止了乳滴由于密度差异而发生的自然沉降，并且防止了乳滴之间的絮凝和凝聚2。4.交联剂及催化剂的影响PVA需要在硫酸、盐酸、乙酸、甲醇等催化剂存在条件下才能与甲醛或戊二醛发生交联反应困。本实验利用戊二醛易溶于乙醚的特点，将戊二醛溶于乙醚后再加人到乳化液中，由于乙醚不溶于水相，但溶于正庚烷油相，所以这种方式加人戊二醛不仅不会导致乳液的破坏，而且戊二醛能够快速分散并扩散到PVA微液滴表面。如果直接加人戊二醛的水溶液，则戊二醛水溶液以液滴形式分散在油相中，不能快速到达PVA微液滴表面。催化剂盐酸可以通过不同的方式加入。本实验中采取的方式是在加人了溶有戊二醛的乙醚的乳液中加人数滴浓盐酸，由于氯化氢易溶于乙醚，所以氯化氢很容易在乳液中通过乙醚扩散到达分散相PVA水液滴表面，使得交联反应迅速发生。实验发现，这种交联剂及催发剂的使用方法，使得PVA与戊二醛交联反应的速度很快，在加人催化剂不到lmin的时间内，整个乳液由白色变成黄色。值得注意的是，在向溶有戊二醛的乙醚的乳液中加人催化剂浓盐酸时，需要降低搅拌速度，即把高速搅拌换成低速电磁搅拌，否则微球团聚现象严重。这是由于搅拌速度过高，增加了乳滴间碰撞的机会，可以促使正在发生交联的微球之间聚合。而低速搅拌则一方面减少了乳滴间碰撞的机会，并且防止了正在交联的微球由于密度差